超声处理钝化鲜切苹果多酚氧化酶动力学研究

杨明冠， 李 坤， 朱传合*

（山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安 271018）

摘 要：研究了超声处理对鲜切苹果多酚氧化酶的钝化效果，并采用一级动力学分析了超声功率（240～600 W）、温度（30～50℃）对鲜切苹果多酚氧化酶的钝化动力学影响。结果表明，鲜切苹果多酚氧化酶的最适温度是30℃，随着热处理时间的延长酶活逐渐下降。超声功率、时间、温度都能显著影响钝化多酚氧化酶的效果，随着超声功率的增加、时间的延长以及温度的升高，超声处理对鲜切苹果多酚氧化酶的钝化效应越大。苹果多酚氧化酶的钝化符合一级反应动力学模型，随着功率和温度的升高，k值上升，D值下降。超声处理降低了多酚氧化酶的热敏感性。

关键词：超声处理；鲜切苹果；多酚氧化酶；钝化

鲜切苹果（fresh-cut apple）指新鲜苹果经分级、清洗、去皮、切分、保鲜以及包装等处理，供消费者即食或餐饮业使用的一种新式苹果加工产品［1］。鲜切苹果因其方便、营养、卫生，满足现代快节奏的生活需求等特点，深受广大消费者的喜爱［2］。

鲜切苹果在加工过程中由于切割导致细胞破裂使得酚类物质与酚酶接触，极易发生酶促褐变，从而严重影响鲜切苹果的感官品质以及营养价值［3］。近年来很多学者研究报道了抑制鲜切果蔬酶促褐变的方法。传统的方法有热处理、亚硫酸盐处理等［4-5］，但是热处理的产品感官及营养价值普遍降低，且易被微生物污染。亚硫酸盐等化学处理方法会使产品中有化学残留，可能会降低食品食用的安全性。静高压、高密度二氧化碳法作为新兴的方法，因其较窄的适用范围、较高的费用等因素导致其无法广泛应用［6-7］。多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）是一种含有辅因子Cu2+的酶，在酶促褐变过程中起主要作用，而超声处理作为一种新兴的非热技术手段在钝化酶的方面有着广泛应用［8-9］。有研究报道超声处理可以使三磷酸腺苷酶、过氧化氢酶活性下降［10-11］，超声处理还可以抑制鲜切苹果的酶促褐变，目前采用超声处理对苹果PPO的钝化动力学方面的研究还未见报道。

本实验以苹果为试材，研究影响超声钝化鲜切苹果PPO的因素，并且分析了超声处理对鲜切苹果PPO的钝化动力学，旨在为超声处理技术在鲜切苹果加工业中对酶促褐变的抑制提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苹果购于泰安市水果批发市场，清洗、切块后贮藏在4℃的冷库中。邻苯二酚、PVPP、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠均为分析纯。

JA2002型电子天平，上海精天电子仪器有限公司；TGL-18C-C型高速台式冷冻离心机，上海安亭公司；SHB-Ⅲ型循环水式真空泵，郑州长城科工贸有限公司；KQ-600DB型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；DZKW-C型数显恒温水浴锅，黄骅市卸甲综合电器厂；UV-2102PC型紫外可见分光光度计，上海尤尼柯有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鲜切苹果PPO粗酶液的制备

在4℃冰箱中备用的鲜切苹果，取50 g果肉，加入预冷的pH值为5.2的磷酸盐缓冲液75 mL（料液比为1.5 mL/g），并加入1 g PVPP（2%）用高速组织捣碎机匀浆，然后用4层纱布过滤，将滤液转入离心管中，4℃、7000 r/min离心30 min，取上清液即得鲜切苹果PPO的粗酶液。

1.2.2 超声处理方法

30 ℃条件下，固定超声波频率40 kHz，超声功率梯度240，300，360，420，480，540，600 W，处理苹果PPO酶液60 min；固定超声波频率40 kHz，功率600 W，超声处理酶液15，30，45，60，75，90 min，均以不做处理为对照研究其相对残留酶活力。固定超声频率40 kHz，50℃条件下，功率分别为240，360，480，600 W；功率600 W，超声波介质温度分别为30，40，50℃，均处理90 min，并每15 min测定其相对残留酶活力。

1.2.3 PPO酶活测定方法

采用紫外分光光度法测定PPO酶活力，具体参照Kumar等［12］的方法，略做修改。反应体系包括2.0 mL、pH值为5.2的磷酸盐缓冲液，1.0 mL、0.2 mol/L的邻苯二酚以及0.2 mL酶液，所加试剂均在30℃温育15 min。加酶液后即刻计时，每20 s记录A420值，连续记录3 min，以不加酶液为对照，重复测定3次。酶活以单位毫升酶液1 min内A420值每增加0.001为一个活力单位。结果以相对残留酶活力表示，见式（1）。

1.2.4 酶失活动力学模型

一级动力学模型常用于酶失活动力学分析，见式（2）［13］。

式（2）、（3）中，A为处理后的酶活力，U；A0为处理前的酶活力，U；t为处理时间，min；k为失活速率，min-1；D为指数递减时间，min，即在指定的条件下，酶活性降低90%所需的时间。

式（4）中，ZT为D值对温度的敏感性；T1、T2为D1和D2对应的温度，℃。

温度对酶钝化反应的影响用Arrhenius公式分析，见式（5）。

式（5）中，活化能（Ea，kJ/mol）为温度对反应常数k的影响；T2、T1分别对应k1和k2的绝对温度；RT为常数，8.31 J/（mol·K）。

2 结果与分析

2.1 超声功率对鲜切苹果PPO活性的影响

30 ℃条件下，设置超声频率40 kHz，功率240，300，360，420，480，540，600 W，时间60 min，以不做超声处理为对照测定PPO的残留酶活，研究不同超声功率对PPO酶活的影响，结果如图1。

图1 超声处理功率对鲜切苹果PPO酶活性的影响
Fig.1 Effect of ultrasonic treatment power on activity of fresh-cut apple PPO

由图1可知，实验过程中对照组PPO的酶活很稳定，基本维持不变，而超声处理可以显著钝化PPO酶活性，并且随着超声处理功率的增大酶活迅速降低。在240 W处理后PPO残留酶活为91.55%，而经过600 W超声处理后PPO残留酶活为57.36%。这与文献报道的随着超声功率的增加三磷酸腺苷酶、过氧化氢酶活性下降的结论相符合［10-11］。酶活性的高低取决于酶分子构象的合理程度，高强度的超声处理会产生瞬态空化作用，产生高温、高压、高能量密度冲击波、微射流等极端的物理作用［14］，而酶分子在强大的剪切力、冲击波的作用下，分子结构被破坏，从而表现出酶活下降［15］。

2.2 超声时间对鲜切苹果PPO活性的影响

30 ℃条件下，设置超声频率40 kHz，功率600 W，时间为15，30，45，60，75，90 min，以不作超声处理为对照测定PPO的残留酶活，研究不同超声处理时间对PPO酶活的影响，结果如图2。

图2 超声处理时间对鲜切苹果PPO酶活性的影响
Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on activity of fresh-cut apple PPO

由图2可知，实验过程中对照组PPO酶活基本维持不变，随着超声处理时间的延长，PPO酶活呈现出下降的趋势。600 W超声处理15 min后PPO酶活降幅较小，酶活残留91.03%，而超声处理90 min后PPO酶活降幅较大，酶活残留为49.99%。一定时间范围内，随着超声处理时间的延长PPO酶活迅速下降，此后继续延长超声时间酶活降速变缓，这说明超声处理一定时间以后，继续延长超声处理时间对鲜切苹果PPO酶活的影响较小。

2.3 温度对鲜切苹果PPO钝化动力学的影响

鲜切苹果PPO在不经超声处理条件下，设置不同温度条件（30，40，50℃）保温90 min，每隔15 min测定PPO的酶活残留，研究不同温度热处理对PPO酶活的影响，结果见表1。

表1 鲜切苹果PPO酶经温热处理后的相对残留酶活力
Tab.1 Relative residual activity of from fresh-cut apple PPO after mild thermal treatment%

时间/ min温度/℃304050 1598.92±1.6061.21±1.2047.97±0.50 3098.39±2.1057.78±1.1044.23±1.40 4598.21±1.8055.06±0.5040.16±1.80 6097.58±0.7053.07±1.7037.28±1.50 7597.63±1.4051.24±1.1035.07±0.90 9097.02±1.9049.86±0.7032.86±1.20

由表1可知，鲜切苹果PPO最适宜温度（30℃）条件下在保温过程中酶活有轻微下降，在其他温度处理下，随着保温时间的延长，苹果PPO酶活性有明显的下降。将表1中的数据带入式（2）至式（5），估算出鲜切苹果PPO在30，40，50℃处理下的D值，分别为4 640.54，438.83，237.89 min，并且可以推算出其ZT值为15.50℃，Ea值为121.73 kJ/mol。

2.4 超声功率对鲜切苹果PPO钝化动力学的影响

在50℃条件下，设置超声功率梯度（240，360，480，600 W）处理苹果PPO酶液90 min，每隔15 min测定酶活性，其钝化动力学如图3。

图3 鲜切苹果PPO的超声功率钝化动力学
Fig.3 Ultrasonic power induced inactivation kinetics of fresh-cut apple PPO

由图3可知，50℃条件下，240～600 W，0～90 min的处理条件内，超声功率钝化鲜切苹果PPO的反应能较好地拟合一级动力学模型（0.94＜R2＜0.99），将数据代入公式计算出了一级动力学模型的参数，结果见表2。

表2 超声功率钝化鲜切苹果PPO的一级动力学参数
Tab.2 Kinetic parameters of ultrasonic power induced inactivation of fresh-cut apple PPO

p/Wk/（10-2min-1）R2D/min 2400.520.949 4188.68 3600.790.962 6136.99 4800.840.976 3111.98 6001.070.980 696.25

由表2可知，在钝化鲜切苹果PPO反应符合一级动力学模型的条件内，PPO酶的钝化反应速率k随着处理功率的增加而增大，相应的D值逐渐下降，说明功率的增加有利于加快PPO的失活。表1结果可知，50℃条件下D值为237.89 min，结合表2表明较低功率超声处理PPO的过程中，对PPO的失活速率常数k起主要作用的是温度，而高功率超声处理PPO的过程中，对PPO的失活速率常数k起主要作用的是超声功率。

2.5 超声温度对鲜切苹果PPO钝化动力学的影响

在超声功率600 W条件下，设置超声介质温度梯度为30，40，50℃，处理鲜切苹果PPO酶液90 min，每隔15 min测定酶活性，其钝化动力学如图4。

图4 鲜切苹果PPO的超声温度钝化动力学
Fig.4 Ultrasonic temperature induced inactivation kinetics of fresh-cut apple PPO

由图4可知，600 W条件下，30～50℃，0～90 min时，超声功率钝化鲜切苹果PPO的反应能很好地拟合一级动力学模型（0.97＜R2＜0.99），将数据代入式（2）、式（3），计算出一级动力学模型的参数，结果见表3。

表3 超声温度钝化鲜切苹果PPO的一级动力学参数
Tab.3 Kinetic parameters of ultrasonic temperature induced inactivation of fresh-cut apple PPO

温度/℃k/（10-2min-1）R2D/minD（热处理）/min 300.730.979 5126.584 640.54 400.880.984 4119.05438.83 501.040.971 093.46237.89

由表3可知，在钝化鲜切苹果PPO反应符合一级动力学模型的条件内，PPO酶的钝化反应速率k随着处理温度的升高而增大，相应的D值逐渐下降，说明温度的升高加速了PPO的失活。由表1结果可知，30，40，50℃处理下的D值分别为4 640.54，438.83，237.89 min。表3结果显示，600 W功率超声处理PPO大大提高了其失活速率常数k使得D值大幅度降低。这表明30～50℃、600 W条件下钝化苹果PPO的过程中，对PPO的失活速率常数k起主要作用的是超声功率。

将表3中的数据代入式（4）、式（5），估算出不同温度下超声（600 W）处理鲜切苹果PPO的ZT和Ea值。估算出Ea值为14.43 kJ/mol，通常认为，在同样的处理条件下，Ea值越高表示反应对温度的依赖性越大［16］，表明超声处理钝化苹果PPO的过程对温度的依赖性降低。估算出其ZT值为151.51℃。ZT值是表征酶对温度钝化敏感性的指标，这说明超声处理能显著降低鲜切苹果PPO的热敏感性。

3 结 论

1）超声处理对鲜切苹果PPO有显著的钝化作用。随着超声功率的增大、时间的延长，钝化效应越明显，30℃、600 W超声处理90 min后鲜切苹果PPO酶活残留仅为49.99%。

2）鲜切苹果PPO最适温度是30℃，在不同处理温度下随着处理时间的延长，酶活有一定程度的下降。鲜切苹果PPO在30，40，50℃条件下D值分别为4 640.54，438.83，237.89 min，并估算出ZT值为15.50℃，Ea值为121.73 kJ/mol。

3）一级反应动力学能较好地分析超声处理对鲜切苹果PPO的钝化反应。超声功率、温度可以显著影响钝化效果，随着功率和温度的升高k值上升，D值下降。240～600 W超声条件下D值分别为188.68，136.99，111.98，96.25 min，30，40，50℃条件下D值分别为126.58，119.05，93.46 min，并估算出其ZT值为151.51℃，Ea值为14.43 kJ/mol，可见超声处理降低了鲜切苹果PPO的热敏感性。

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Inactivation Kinetics of Polyphenol Oxidase of Fresh-cut Apple by Ultrasonic Treatment

YANG Mingguan， LI Kun， ZHU Chuanhe*
（College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China）

Abstract：The effects of ultrasonic treatment on inactivation of polyphenol oxidase（PPO）activity of fresh-cut apple were investigated，and inactivation kinetics of PPO was analyzed by using a first-order reaction kinetic under the following experimental conditions：ultrasonic power（240-600 W）and ultrasonic temperature（30-50℃）.The results indicated that the optimal temperature of PPO of fresh-cut apple was 30℃，and enzyme activity gradually decreased with the increasing heat treatment time.The inactivation of PPO could be significantly affected by the ultrasound of power，processing temperature，and processing time.With the increasing ultrasonic power，temperature and prolonged ultrasonic processing time，the inactivation of PPO became more significant.The inactivation of PPO was fitted well to the first-order reaction kinetic model under the experimental conditions.The k value raised and the D value decreased with the increasing ultrasonic power and processing temperature.Ultrasonic treatment reduced the thermal sensitivity of PPO.

Key words：ultrasonic treatment；fresh-cut apple；polyphenol oxidase；inactivation

（责任编辑：叶红波）

中图分类号：TS255.3

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.2095-6002.2015.02.006

文章编号：2095-6002（2015）02-0029-05

引用格式：杨明冠，李坤，朱传合.超声处理钝化鲜切苹果多酚氧化酶动力学研究［J］.食品科学技术学报，2015，33（2）：29-33.

YANG Mingguan，LI Kun，ZHU Chuanhe.Inactivation kinetics of polyphenol oxidase of fresh-cut apple by ultrasonic treatment［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（2）：29-33.

收稿日期：2014-07-24

基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2012CM038）；国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAK17B05）。

作者简介：杨明冠，男，硕士研究生，研究方向为果蔬加工；

*朱传合，男，副教授，博士，主要从事果蔬加工方面的研究。

通信作者。